DE2857236A1

DE2857236A1 - Method and device for measuring or detecting a mechanical change of state or its time derivative

Info

Publication number: DE2857236A1
Application number: DE782857236T
Authority: DE
Inventors: L Jilken
Original assignee: STANGAKONSULT C
Current assignee: STANGAKONSULT C
Priority date: 1977-12-12
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1981-01-08
Also published as: CH635935A5; FR2461247A1; SE403517B; US4316146A; FR2461247B1; WO1979000369A1; GB2036329A; SU973040A3; EP0007963A1; GB2036329B

Description

Stangakonsult

S-582 52 Linköping, Schweden

Verfahren zum Messen oder Erfassen der Veränderung eines mechanischen Zustandes oder dessen zeitlicher Abweichung

Technisches Sachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen odar Erfassen der Änderung eines mechanischen Zustandes wie beispielsweise des Zustandes der mechanischen Belastung, des Eintretens, des Beginnens oder des Fortschreitens von Brüchen, der Trennung innerhalb des Materiales oder der Vibration oder einer Änderung des mechanischen Zustandes in Bezug auf die Zeit innerhalb eines Körpers, der magnetostriktive Wirkungen zeigt, und zwar dann, wenn unter der Einwirkung einer magnetischen Antriebskraft (H) ein zugeordneter Magnetfluss in wenigstens einem Teil des Körpers erzeugt wird. Zufolge dieses Flusses ruft die Änderung des mechanischen Zustandes über die Magnetisierung (M) des Körpers eine messbare oder erfassbare Störung hervor. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Stand der Technik

Seit Joule im Jahre 1842 zum ersten Male die Magnetostriktion vorgeführt hatte, und Villari im Jahre 1865 das umgekehrte Phänomen, nämlich den sogenannten Villari-Effekt, wurden zahlreiche Messvorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, die eine Kopplung zwischen dem magnetischen Fluss und der Veränderung des mechanischen Zustandes zum Inhalt hatten. Allen diesen Messvorrichtungen und Messverfahren ist gemeinsam, daß man hierbei die Durchschnittslänge des magnetischen Kreises sich mit der Änderung des mechanischen Zustandes verändern lässt. Es ist bekannt, daß die Magnetisierungskraft umgekehrt-proportional dieser Durchschnittslänge

030605/0 018

ist. Die Magnetisierung hängt sowohl mit Änderungen des mechanischen Zustandes wie auch mit Änderungen der Durchschnittslänge des magnetischen Kreises bei solchen Messvorrichtungen zusammen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde/ die obenerwähnte, doppelte Abhängigkeit der Magnetisierung zu vermeiden, so daß diese lediglich von der Änderung des mechanischen Zustandes abhängt. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Magnetkraft (H_Q) und die Durchschnittslänge (1) des magnetischen Kreises im wesentlichen konstant und beim Messen oder Erfassen unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes hält. Der Fluss besteht teilweise aus einem Hauptfluss (φ ), der mit der magnetischen Antriebskraft (H_Q) verbunden ist, die eine definierte Richtung hat und von einer derartigen Magnitude ist, daß die magnetischen Eigenschaften dieses Körpers aus dem Bereich der Irreversibilität abweichen, und teilweise aus einem überlagerten, alternierenden Fluss (<p ) , der nach und nach verschwindet. Dieser alternierende Fluss muss eine derartige initiale Magnitude haben, daß die Sättigung in zwei Richtungen des alternierenden Flusses (6 ) erreicht wird, das heißt derart, daß in an sich bekannter Weise ein Punkt der Hysteresis-Kurve dann erreicht wird, wenn der alternierende Fluss ((J) ) verschwunden ist. Nach dem Verschwinden des alternierenden Flusses (φ ) wird die Störung, die durch die Änderung des mechanischen Zustandes erzeugt wird, als Spannung registriert, die umgekehrt durch die Änderung des der Störung (Disturbanz) induziert wird.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt Figur 1 scheraatisch.eine Vorrichtung, die entsprechend der Erfindung dann betrieben wird, wenn eine Änderung des mechanischen Zustandes in einem belasteten Körper gemessen wird. Figur veranschaulicht in ausgezogenen Linien eine Hälfte der Magneti-

030605/0 018

sierungskurve für einen ferromagnetischen Festkörper, und durch gestrichelte Linien den entsprechenden Teil der anhysteretischen Kurve des Körpers. Figur 3 zeigt einen vergrösserten Teil von Figur 2 und veranschaulicht hierbei für einen gegebenen Wert von EL· der magnetischen Antriebskraft, wie der magnetische Fluss {) eine Anzahl von Werten annehmen kann, von denen drei Werte in der Figur besonders dargestellt sind. Figur 4 zeigt anhand von drei Kurven, wie der magnetische Fluss in einem Körper über der Zeit dann variiert, wenn der Körper dreieckförmigen mechanischen Belastungsimpulsen ausgesetzt ist. Die mittlere der Kurven bezieht sich auf ein Messverfahren gemäß der Erfindung, während die anderen sich auf herkömmliche Messverfahren beziehen. Figur 5 zeigt im einzelnen eine Ausführnngsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, womit Messungen an runden Proben veranschaulicht werden sollen. Figur 6 zeigt in einer Projektionsdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen von Messungen an einer genuteten Dreipunkt-Biegeprobe, die Biegekräften ausgesetzt wird.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

In Figur 1 erkennt man einen ferromagnetischen Körper 1, der als Prüfling dient. Dieser wird mechanischen Beanspruchungen unterworfen, beispielsweise einer Spannung, einem Druck oder einer Torsion, wie durch die Pfeile 2 veranschaulicht. Dabei kann die einzelne Spannungsart entweder für sich alleine oder in Kombination als Zugspannung-Torsion oder als Druckspannung-Torsion wirken. Die Spannungen führen eine Veränderung des mechanischen Zustandes der Probe herbei, was sich in einer elastischen oder plastischen Verformung ausdrücken kann, ferner in einer Trennung innerhalb des Materiales, in Rissbildung, Rissvertiefung oder sogar in einem Bruch. Es sei darauf verwiesen, daß eine Änderung des mechanischen Zustandes auch von thermischen Beanspruchungen herrühren kann. Zum Zwecke der Messungen oder des Erfassens von

030605/0 018

Veränderungen des mechanischen Zustandes des Körpers ist eine Anzahl von Jochen 3 vorgesehen, von denen eines in der Figur veranschaulicht ist. Dieses dargestellte Joch weist eine Primärspule 4 und eine Sekundärspule 5 auf. Durch Anwendung eines Spannungsgenerators 6, der über einen Spannungs-Strom-Transformer 7 an die Primärspule 4 angeschlossen ist, wird ein Strom erzeugt, ' der seinerseits die magnetische Kraft hervorruft. Dies führt zu einem Fluss durch einen magnetischen Kreis, der aus dem Joch 3 und einem Teil der Probe 1 besteht. Das Joch ist in Bezug auf die Probe derart angeordnet, daß der magnetische Kreis im wesentlichen frei von Luftspalten ist/ so daß das Joch durch die Spannung nicht beeinträchtigt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Joch 3 entlang der Probe 1 zu gleiten vermag. Es versteht sich, daß die Spulen an irgendeiner Stelle entlang des magnetischen Kreises angeordnet werden können. Der genaue Ort der Spulen ist nur durch praktische Erwägungen zu ermitteln. Dm einen symmetrischen Fluss zu erreichen, sollte eine Reihe von zueinander parallelen Jochen verwendet werden.

Die Änderung des mechanischen Zustandes wirkt, über die Magnetisierung des Körpers (im folgenden mit M bezeichnet), als Störung, des Flusses φ. Diese wird in der Sekundärspule 5 erfaßt und an einem mit der Spule verbundenen Anzeigegerät 8 angezeigt. Gemäß der Erfindung werden sowohl die magnetisierende Kraft, im folgenden H₀ genannt, als auch die mittlere Länge 1 des magnetischen Kreises im wesentlichen konstant und unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes gehalten. Wie zuvor erwähnt, wird die Durchschnittslänge 1 dadurch konstant, gehalten, daß man wenigstens einen der beiden Stege des Joches entlang der Probe gleiten läßt. Die magnetisierende Kraft H_Q wird dadurch konstant gehalten, daß man der Spule 4 einen konstanten Gleichstrom zuführt. Dieser Strom wird durch eine Spannungsteilerschaltung U mittels eines Potentiometers 9 erhalten. Die Spannung wird über einen Summierungspunkt 10 im Spannungsgenerator 6 dem Umformer zugeführt, in welchem die Spannung in konstanten Strom umgewandelt

030605/0 018

wird. Wie man aus Figur 2 erkennen kann, entspricht jeder Wert der magnetisierenden Kraft KL· einer Anzahl von Werten des Flusses <jj, von denen zwei Werte/ nämlich a und b, auf der Hysteresis-Kurve des Körpers, und einer, nämlich der Wert c, auf der anhysteretischen Kurve markiert sind. Von jenen Punkten ist der Punkt c derjenige, der dem Wert des Flusses φ entspricht, bei welchem die Probe ihre geringste elektromagnetische Energie für einen gegebenen Wert H_n der antreibenden magnetischen Kraft erreicht hat.

Versucht man zum.Beispiel, wie dies aus Mess- oder Anzeigeverfahren bekannt ist, von Punkt a oder b ausgehend, eine sägezahnartig sich verändernde, mechanische Belastung zu erfassen, die auf Probe 1 einwirkt, so verändert sich der Fluss in jener Weise, die durch die beiden äußeren Kurven in Figur 4 dargestellt ist. Wie man sieht, ist der Fluss nicht gleich in den beiden einander entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender Belastungszyklen. Die Änderung des mechanischen Zustandes, die im Körper durch die Last hervorgerufen wird, kann somit nicht eindeutig aus der Störung oder Abweichung des Flusses durch die Last ermittelt werden.

Gemäß der Erfindung wird daher beim Beginn des Messens ein alternierender Fluss φ , der langsam verschwindet, überlagert. Dieser Fluss wird duch einen Generator 11 erzeugt, der eine Spannung u, liefert, die mit der Zeit bis zu dem Summationspunkt 10 in Gerät 6 von Figur 1 abnimmt. Die Aufgabe des alternierenden Flusses φ besteht darin, den getesteten Körper dazu zu veranlassen, einen Ausgangszustand zu erreichen, in welchem er bezüglich des Elektromagnetismus stabil ist· Dies ist dann der Fall, wenn man von der anhysteretischen Kurve ausgeht. Diese Kurve bezieht im Gegensatz zur Hysteresis-Kurve die Magnetisierung M unzweideutig auf die magnetisierende Kraft H. Darüberhinaus muss aus dem Gesichtspunkt der Magnetisierung von dem irreversiblen Bereich des Körpers ausgegangen werden. Um den Wert der magnetischen Antriebskraft zu bestimmen, bei welchem dies

030605/0018

eintritt, wird eine dreieckig-geformte Spannung u, dem Summationspurikt 10 in Einrichtung 6 von Figur 1 eingespeist. Sodann wird die Hysteresis-Kurve registriert und von dort ein geeigneter Wert der elektrischen Antriebskraft H₀ außerhalb des obenerwähnten Bereiches ausgewählt. Sodann läßt sich die Bestimmung gemäß der Erfindung vornehmen.

Wie bereits erwähnt, entspricht Punkt c in den Figuren 2 und 3 dem Wert des magnetischen Flusses φ, bei welchem der Körper seinen Zustand geringster elektromagnetischer Energie bei der Magnetisierungskraft H- annimmt. Selbstverständlich sind anderen Werten der Magnetisierungskraft andere Werte des Magnetflusses zugeordnet, die aus der Anhysteresis-Kurve des Körpers aufzufinden sind. Misst man gemäß der Erfindung das Ansprechen des Magnetflusses auf eine mechanische Belastung, d.h. die Veränderung des Flusses über der Zeit als Funktion der auf den Körper einwirkenden Belastung, und geht man von einem elektromagnetisch stabilen Anfangswert aus, so stellt man fest, daß der Magnetfluss eine eindeutig bestimmte Funktion der Belastung ist. Hat die Belastung beispielsweise die Gestalt eines Sägezahnes, so verändert sich der Magnetfluss in der Weise wie durch die Zwischenkurve in Figur 4 veranschaulicht. Bei dieser Kurve ist die Veränderung des Flusses bei zwei miteinander identischen und aufeinanderfolgenden Lastzyklen in entsprechenden Punkten gleich. Der Mittelwert der Kurve ist während eines oder mehrerer Zyklen zeitunabhängig. Dies ist natürlich nicht der Fall bei den beiden oben beschriebenen, äußeren Kurven, welche Messungen gemäß bekannter Verfahren veranschaulichen. Der Mittelwert dieser Kurve ist nicht konstant, sondern tendiert zum Mittelwert der Zwischenkurve. Dies ließe sich durch die Annahme erklären, daß zum Anheben des Flusses an den Punkten a und b auf dasselbe Niveau wie bei c Energie erforderlich ist. Diese Energie wird aus der Änderung des mechanischen Zustandes hergeleitet und kann somit nicht in über die Zeit hinweg durchgeführten Studien des magnetischen Flusses konstant sein. Die durch die Änderung des mechanischen Zustandes erzeugte Magnetflussänderung, die von der

03060 5/0018

Meßspule 5 als Spannung ermittelt wird, läßt sich in einer Anzahl von Möglichkeiten durch die Anzeigeeinheit 8 gemäß Figur 1 ausnutzen. An Ausgang A wird ein Signal erzeugt, das dieser Spannung proportional ist; desgleichen wird an Ausgang B ein Signal erzeugt, das dem Zeitintegral der Spannung entspricht. An den Ausgängen C und D erhält man Signale, die der Spannung nach dem Durchgang eines high-pass Filters und eines low-pass Filters jeweils, sowie der Integration entsprechen. Je nach der nachfolgenden Auswertung der Messung kann die Spannung auf verschiedenerlei Weise behandelt v/erden, beispielsweise digitalisiert werden.

In den Figuren 5 und 6 sind Elemente, die dieselben oder ähnliche Funktionen wie die in Figur 1 haben, mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. In Figur 5 stellt Körper 1 einen herkömmlichen, zylindrischen Prüfling dar, an welchem Verformungen hauptsächlich in dem taillierten Bereich stattfinden; der Durchmesser dieses Bereiches ist wesentlich kleiner als derjenige anderer Bereiche des Prüflings. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 sind auf einen hülsenförmigen Kern 13 mit Stirnwänden aufgewickelt. Die zentrale Bohrung des Spulenkernes ist derart bemessen, daß ein leichtes Durchdringen des Körpers möglich ist. Die Spulen 4 und 5 sind durch einen Mantel 14 geschützt. Die örtliche Anordnung der Spulen 4 und 5 ist derart gewählt, daß der Magnetfluss die kleinstmögliche Leckage und die größtmögliche Homogeneität erreicht. Um einen symmetrischen Fluss durch den Körper 1 zu erzielen, wurde eine Anzahl von Jochen 3 symmetrisch um den Spulenkern herumgelegt. Diese U-förmigen Platten sind in radial angeordnete Schlitze in den Stirnwänden des Spulenkernes 13 einges choben.

Körper 1 kann relativ frei in der Zentralbohrung des Spulenkernes 13 gleiten. Dies bewirkt eine konstante Durchschnittslänge des magnetischen Kreises, unabhängig der aufgebrachten mechanischen Belastung. Die Joche 3 sind während des Messens durch Magnetkräfte zwischen den Jochen und dem Körper an Ort und Stelle gehalten. Wird nicht gemessen, so lassen sich die Joche fixieren,

030605/0018

beispielsweise durch elastische Federn oder Bügel, die die Joche abschliessen.

Alternative Ausführungsform

Der in Figur 6 dargestellte Körper 1 ist ein herkömmlicher Dreipunkt-Biegeprüfling. Im mittleren Bereich des Prüflings befindet sich eine Nut 15. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 sind auf Jochen 3 aufgebracht, von denen in Figur 6 nur eines dargestellt ist. Die Joche sind in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch an denjenigen Längsflächen angeordnet, die sich an die obere Fläche anschliessen.

Während des Messens ist der Prüfling Kräften ausgesetzt, die in der Figur durch Pfeile veranschaulicht sind. Diese Kräfte beanspruchen den Prüfling im wesentlichen auf Biegespannungen. Die Kräfte P/2 wirken von oben ein, und zwar in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch, während die Kraft P von unten einwirkt, und zwar gerade an der N.ut 15. Gemäß der Erfindung beeinträchtigt die Spannung nicht die durchschnittliche Länge des Magnetflusses. Demgemäß sind die Joche relativ zum Prüfling gleitbar angeordnet. Die Messung wird so ausgeführt, wie dies in Verbindung mit Figur 1 oben beschrieben ist.

Es versteht sich/daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Stattdessen kann das Messverfahren, wie in den Ansprüchen festgehalten, in zahlreichen Messanwendungen verwendet werden. Mit einem oder mehreren Jochen, die mit Primär- und Sekundärspulen ausgestattet sind und einem willkürlich magnetisierbaren Körper zugeordnet sind, beispielsweise einer Ankerstütze, einem Balken, einem Stab oder einer Platte, auf welche eine Last einwirkt, läßt sich die Veränderung des mechanischen Zustandes infolge Belastung messen. Dabei wird

030605/0018

davon ausgegangen, daß man von einem Punkt auf der Anhysteresis-Kurve des Körpers beginnt, und daß die Durchschnittslänge des Magnetflusses durch die Belastung nicht beeinflußt wird.

Der magnetische Hauptfluss wurde bei den oben angeführten Ausführungsbeispielen durch Anwendung einer oder mehrerer Primärspulen erzeugt. Er kann natürlich auch durch Permanentmagneten erzeugt werden, wie eine weitere Ausgestaltung der Erfindung lehrt. Diese Permanentmagneten sind derart angeordnet, daß der Hauptfluss konstant ist.

Zum Messen des magnetischen Flusses sind auch andere Möglichkeiten denkbar als die oben beschriebenen Sekundärspulen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein sogenanntes Hall-Element verwendet werden.

030 60 5/0018

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Messen oder Erfassen einer Veränderung des mechanischen Zustandes, beispielsweise der Änderung der mechanischen Belastung, des Fließens, der Risseinleitung/ der Rissvertiefung, der Trennung innerhalb des Materials oder der Vibration, oder der Zeitabhängigkeit der Veränderung des mechanischen Zustandes in einem Körper mit magnetos triktiven Effekten, wobei unter dem Einfluß einer antreibenden Magnetkraft (H) ein zugeordneter magnetischer Fluss in wenigstens einem Teil des Körpers erzeugt wird, auf welchen Magnetfluss die Änderung des mechanischen Zustandes über die Magnetisierung (M) als messbare oder erfassbare Störung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Magnetkraft (H_Q) und die Durchschnittslänge (1) des Magnetkreises im wesentlichen konstant und unabhängig von der Änderung des mechanischen Zustandes gehalten werden, wobei der Magnetfluss zum einen Teil aus einem Hauptfluss (φ_) besteh-t, der der antreibenden Magnetkraft (H-) zugeordnet ist, welche ihrerseits eine definierte Richtung und eine derartige Magnitude hat, daß die magnetischen Eigenschaften des Körpers aus dem Bereich der Irreversibilität abweichen, und zum anderen Teil aus einem alternierenden, nach und nach verschwindenden Fluss (φ ), der dem Hauptfluss überlagert ist; dabei muß der alternierende Fluss eine derartige Anfangsmagnitude haben, daß in beiden Richtungen des alternierenden Flusses (<p_v) Sättigung eintritt, so daß in bekannter Weise ein Punkt auf der anhysteretischen Kurve des Körpers dann erreicht wird, wenn der alternierende Fluss (φ_ν) verschwunden ist, wonach die durch die Veränderung des mechanischen Zustandes erzeugte Störung angezeigt oder registriert wird, und zwar als Spannung, die durch die Änderung des der Störung entsprechenden Magnetflusses induziert wird.

030605/0018
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Mitteln zum Erzeugen des Magnetflusses im Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen Magnetkreis bilden, der wenigstens einen Teil des Körpers umfaßt, daß der Kreis im wesentlichen frei von Luftspalten ist und eine durchschnittliche Länge (1) hat, die unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes ist, und daß teilweise der Hauptfluss (φ_ο) angetrieben wird, und teilweise der überlagernde alternierende Fluss (φ ), und daß die Vorrichtung ein System von Spulen aufweist, die an eine Meßoder Anzeigeeinrichtung angeschlossen sind, die die Flussänderung erfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein System von Spulen mit Jochen umfassen, ferner einen Stromerzeuger, der derart gestaltet und angeordnet ist, daß er dem Spulensystem teilweise einen Gleichstrom liefert, der dem Hauptfluss entspricht, und teilweise einen über die Zeit hinweg schwindenden Wechselstrom, der dem schwindenden alternierenden Fluss entspricht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein System von Permanentmagneten zum Erzeugen des Hauptflusses umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch oder die Joche in dem Körper gleitbar angeordnet sind.

0 3 0 6 0 5/0018